一种钢基多固废协同固结剂及其制备方法与流程

本发明涉及工业固体废弃物资源化利用，具体公开了一种钢基多固废协同固结剂及其制备方法。

背景技术：

1、唐山作为北方钢城，年产生钢渣、高炉水渣、除尘灰、脱硫石膏等固废超3000万吨，存在堆存量大、成本高、环境风险突出的问题。针对此类固废的资源化利用，传统水泥固化存在成本高、碳排放大、不适应沿海高盐软土的缺陷。现有固废固化剂多采用单一原料，存在活性低、早期强度差、易泛碱、耐水性差的问题。同时，唐山沿海软土、高盐碱环境对道路基层、矿区回填、堆场硬化提出了特殊要求。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钢基多固废协同固结剂及其制备方法，特别针对唐山地区钢铁产业大宗固废，如钢渣、高炉水渣、除尘灰、脱硫石膏，制备低成本、高强度、适用于唐山及华北沿海软土、路基、矿区回填、堆场硬化的无水泥固结剂。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种钢基多固废协同固结剂，包括以下重量份数的原料：钢渣粉（转炉/电炉钢渣）：30～45份、高炉水渣粉（粒化矿渣）：25～40份、钢铁除尘灰（烧结/高炉/转炉灰）：8～18份、脱硫石膏：4～8份、复合激发剂：5～10份；其中，复合激发剂由以下原料制成：生石灰、低模数水玻璃、硫酸钠。本发明的固结剂由多种钢铁工业固废及复合激发剂复配而成。

4、上述原料核心成分及物理指标如下：

5、钢渣（转炉/电炉钢渣），核心成分及含量：cao 40%～45%、sio2 12%～16%、fe2o318%～22%、mgo 5%～8%、al2o3 2%～4%；杂质控制：p≤0.8%、s≤0.5%，游离氧化钙≤3%，保障固结体体积稳定。

6、高炉水渣（粒化矿渣），执行gb/t 203-2008标准，核心成分：sio2 32%～38%、cao32%～38%、al2o3 8%～10%、mgo 5%～8%；mno≤2.0%、tio2≤2.0%，质量系数k≥1.2，玻璃体含量≥85%，水化活性优异。

7、除尘灰，涵盖烧结、高炉、转炉灰，核心成分：tfe 30%～55%、cao 8%～18%、sio2 4%～10%、固定碳2%～8%；碱金属总含量≤3%，可辅助激发水化、提升土体密实度。

8、脱硫石膏，核心成分：二水硫酸钙≥80%，游离水10%～15%；粒径集中在20～60μm，平均粒径35μm，无100μm以上大颗粒，作为硫酸盐激发组分调控水化强度。

9、生石灰，规格：工业高活性，cao≥92%，mgo≤2%，200目通过率≥98%，活性度≥300ml。厂家：唐山丰润区鑫盛石灰厂、唐山玉田县恒通建材有限公司。

10、低模数水玻璃，规格：模数2.0～2.4，波美度38～42°bé，sio2≥26%、na2o≥8.5%，无沉淀、不分层。厂家：唐山奥鼎化工有限公司、唐山众恒硅材料科技有限公司。

11、可选地，复合激发剂由以下重量份数的原料制成：生石灰3～7份、低模数水玻璃1～3份、硫酸钠0.5～1.5份。

12、可选地，一种钢基多固废协同固结剂，包括以下重量份数的原料：钢渣粉40份、高炉水渣粉30份、钢铁除尘灰15份、脱硫石膏6份、复合激发剂9份。

13、可选地，复合激发剂由以下重量份数的原料制成：生石灰6份、水玻璃2份、硫酸钠1份。

14、上述原料钢渣、高炉水渣、钢铁除尘灰、脱硫石膏均来自唐山地区钢铁企业固废。固废总利用率≥85wt%，28d抗压强度≥20mpa，适用于唐山沿海软土、路基、回填、堆场硬化。

15、第二方面，本发明还提供了一种钢基多固废协同固结剂的制备方法，包括：

16、预处理：分别对钢渣、高炉水渣、除尘灰进行粉磨，得到钢渣粉、高炉水渣粉、钢铁除尘灰；

17、计量配料：按重量配比称取钢渣粉、高炉水渣粉、钢铁除尘灰、脱硫石膏、复合激发剂；

18、混合：利用无重力混合机或螺带混合机搅拌均匀；

19、成品：防潮密封包装，即得。

20、可选地，钢渣、高炉水渣、除尘灰均粉磨至细度≥200目，比表面积≥400m2/kg。

21、可选地，搅拌的时间为3～6分钟。

22、第三方面，本发明提供了上述钢基多固废协同固结剂的应用，用于软土地基固化、道路基层建设、矿区回填、固废堆场硬化或抑尘固土工程。

23、可选地，所述固结剂的掺量为被固化料干质量的8～12.5%，可根据现场土体含水率、土质等级、工程强度要求微调适配。

24、本发明的固结剂可用于工业固废资源化、土壤/软土固化、道路基层材料等领域。具体可用于唐山及华北沿海地区的软土地基固化、道路基层建设、矿区回填、固废堆场硬化或抑尘固土工程等。

25、一、本发明各原料作用、配比优劣及低碱激发剂优势说明。

26、（一）各组分功能作用

27、钢渣粉：提供钙铁活性氧化物，水化生成胶凝矿物，构建固化骨架，提升后期强度。高炉水渣粉：高玻璃体活性组分，快速水化反应，保障早期固结强度。钢铁除尘灰：补充金属氧化物与微量盐基，填充孔隙，增强土体密实度。脱硫石膏：硫酸盐激发源，调节水化速率，抑制膨胀，优化结构稳定性。复合激发剂作用如下：生石灰：快速水化产热、提升体系碱度，激活固废潜在胶凝活性；低模数水玻璃：水解产生硅酸根，促进凝胶体生成，粘结松散颗粒；硫酸钠：硫酸盐协同激发，加速矿物结晶，缩短固化成型时间。

28、（二）复合激发剂配比影响

29、在本发明合理原料配比范围内，才能获得性能优异的钢基多固废协同固结剂。复合激发剂配比过低固废活性无法充分激发，水化反应程度弱，固结强度不足；颗粒粘结性差，土体易松散，抗渗、抗碾压性能不达标，工程使用寿命缩短。复合激发剂配比过高，生石灰过量：体系碱度超标，易发生体积膨胀开裂，固化体稳定性变差；水玻璃过量：浆料黏性过大，施工和易性下降，凝固过快不易摊铺作业；硫酸钠过量：盐类析晶返碱，破坏内部结构，降低耐水耐久性能。

30、（三）本发明特定配比突出优势

31、采用区间配比适配不同土质工况，钢渣+高炉水渣主次搭配兼顾早后期强度，除尘灰填充补强、石膏控稳形变，复合激发剂梯度活化固废活性。相较常规单一胶凝材料，固废利用率大幅提升，成本更低，固化层整体性、承载力、抗变形能力全面优于传统方案。

32、（四）低碱复合激发剂独有优势

33、碱度温和可控，规避高碱引发的土体碱蚀、骨料不良反应；多组分协同激发，活化效率远超单一激发剂，反应更充分；减少膨胀开裂风险，固化体体积稳定性大幅提升；低碱环境适配软土、回填土等复杂场地，适用范围更广。

34、二、制备步骤对产品性能的提升机理

35、本发明将钢渣、高炉水渣、除尘灰分级粉磨至≥200目、比表面积≥400m2/kg细化颗粒增大反应接触面积，打破固废惰性晶格，释放内部活性组分，大幅提升水化反应效率与胶结能力。精准重量份数配料保证各组份激发、水化、填充比例均衡，避免局部成分失衡，确保每批次产品固化性能均匀稳定。3~6分钟匀速搅拌物料充分混匀，激发剂均匀附着固废颗粒表面，活化作用全覆盖，杜绝局部反应强弱不均，成型后强度一致性好。

36、三、本发明解决的现有技术缺陷如下：

37、解决单一固废活性低、强度不足问题，本发明采用多种钢基固废互补配伍，钙硅铁铝多元素协同水化，搭配低碱复合激发剂深度激活惰性组分，形成致密稳定胶凝结构，强度显著提升。

38、解决常规固结剂易膨胀开裂、稳定性差问题。本发明利用脱硫石膏调控水化进程，低碱激发体系抑制游离钙过量膨胀，有效抵消固化体形变应力，杜绝开裂破损。

39、解决传统产品成本高、固废利用率低问题。本发明以钢厂大宗固废为主料，替代水泥等高成本原料，固废资源化利用率高，工程造价更低。

40、解决普通固化剂适用土质单一、耐久差问题。本发明采用多级活化+孔隙填充双重作用，固结体密实度、抗水、抗冻、抗碾压性能优异，可适配软基、矿区、道路、堆场多类复杂工程场景。

41、解决单一激发剂活化不充分缺陷。本发明采用生石灰+低模数水玻璃+硫酸钠三元复配，碱激发、硅酸凝胶、盐类结晶多重机理叠加，活化效果远优于单一激发材料。

42、本发明采用工业固废复配体系，绿色环保、资源化利用率高；所有固废粉体统一细度≥200目、比表面积≥400m2/kg；搅拌时长3～6min，保证物料混合均匀、激发效果稳定；标准掺量8%～12.5%，适配各类岩土固化工程，性能稳定、适用性强。本发明固结剂适用于软土地基固化、道路基层建设、矿区回填、固废堆场硬化、抑尘固土等各类岩土固化及固废资源化工程。

43、相比现有技术，本发明至少具有以下有益效果：

44、本发明以唐山地区钢渣、高炉水渣、钢铁除尘灰、脱硫石膏为原料，复配生石灰、低模数水玻璃和硫酸钠三元复合激发剂，构建多固废协同胶凝体系。针对单一固废活性低、传统固化剂成本高碱性强、易膨胀泛碱、难以适配沿海软土与高盐环境等技术问题，本发明通过钢渣提供骨架与后期强度、高炉水渣保障早强、除尘灰填充密实、脱硫石膏调控水化与抑制膨胀，配合低碱复合激发剂梯度活化惰性组分，实现碱度温和、反应充分、体积稳定。所得固结剂固废利用率≥85%、28d抗压强度20～28mpa，具备早强、耐水、耐盐、抗冻融、低收缩、不泛碱等优异性能，适配软土固化、道路基层、矿区回填及堆场硬化，较水泥基成本降低30%～50%、碳排放降低60%以上，经济与环境效益显著。